热塑性复合材料将彻底改变商用飞机制造

热塑性复合材料（TPC）在航空航天领域并不新鲜，但过去几年商用飞机热塑性应用已达临界点。虽TPC长期用于夹具、支架等小件或内饰小部件，但热塑性材料正逐步渗透更大飞机结构，似乎将在未来商用飞机中扮演更重要角色。

2018年3月，全球最大碳纤维制造商东丽（Toray Industries Inc.，日本东京）以9.3亿欧元收购TenCate Advanced Composites（美国加州摩根希尔和荷兰奈弗达尔）（TenCate现更名为Toray Advanced Composites）。此举旨在强化东丽热塑性能力，备战下一波商用飞机开发浪潮。随即，Hexcel（美国康涅狄格斯坦福）和Arkema（美国宾州普鲁士国王）宣布结盟开发航空航天热塑性复合解决方案，结合Hexcel碳纤维制造专长与Arkema聚醚酮酮（PEKK）树脂专长。当年内，热塑性拼图的其他几块也逐渐就位。

2018年4月，Premium Aerotec GmbH（德国奥格斯堡）发布为空客（法国图卢兹）A320开发制造的碳纤维热塑性基体压力隔框演示件。该演示件由八个焊接段组成，展示热塑性可焊接性制造更大飞机部件的潜力（详见Premium Aerotec A320压力隔框演示件）。

2018年8月，Solvay（美国佐治亚阿法雷塔）、Premium Aerotec和Faurecia Clean Mobility（美国俄亥俄哥伦布）发起IRG CosiMo（可持续交通复合材料产业研究组），联盟聚焦开发材料与工艺技术，实现航空航天和汽车市场热塑性复合材料大批量生产。联盟整合从材料到机械再到汽车航空应用的全产业链企业（详见IRG CosiMo联盟）。

Solvay自2017年6月起与GKN Fokker（荷兰霍赫芬）合作推进大型航空结构TPC技术采用。2017年9月启动PEKK聚合物生产，2018年将合格单向热塑性预浸带产能翻倍。2019年初，Solvay在美国阿法雷塔设立专用TPC研发实验室，开发下一代材料。计划2019年底启动新单向预浸带线认证。

帝人（Teijin Ltd.，日本东京）2019年1月宣布其TENAX碳纤维和碳纤维/热塑性单向预浸带（TENAX TPUD）获波音（美国伊利诺伊芝加哥）认证，可作为中间级先进复合材料用于主要结构件（阅读完整新闻）。

随着这些技术材料进步，航空航天业未来数年乃至数十年的图景逐渐清晰。TPC角色在其中占比日益增大。

制造商有意利用热塑性制造优势和快速加工周期，用TPC制造机身面板、肋条等更大结构。此外热塑性具备高断裂韧性、良好力学性能、可回收性、低烟雾毒性（FST）及室温存储等优势。随着OEM和航空航天一级供应商更熟悉热塑性，其应用扩展至更复杂部件、焊接组件和主要结构。

据Toray Advanced Composites（原TenCate）董事总经理Steve Mead称，“[主流机身制造商]真正寻找的是兼具铝材生产节拍和碳纤维材料减重能力的材料方案——热塑性恰好填补这一空白。”

TPC工艺性

TPC在飞机项目中找到位置的很大原因是其工艺性。因热塑性已完全聚合，生产速率比必须固化的热固性快得多。

“对比制作热固性零件和热塑性复合零件所需时间，[热塑性]快约10倍，”CompositeTechs LLC（美国马萨诸塞艾姆斯伯里）总裁兼CEO、复合材料行业顾问Mike Favaloro说。

热塑性自动化铺丝（AFP）相比热固性AFP的一大优势——特别是考虑到无固化周期——是因加工时间更快而实现更高生产速率。就地层压和非高压釜（OOA）后固结存在成本节约空间。移除高压釜还允许开发更大结构。

ATC Manufacturing（美国爱达荷波斯特福尔斯）业务发展总监David Leach承认热塑性单位成本超热固性，但认为TPC材料价格将下降。且加工效率当前即提供降本机会。复合材料行业共识：OOA热塑性工艺目前比热固性节省成本超30%。

“热塑性甚至在飞机投产后仍切入项目，”Leach指出。“这证明了热塑性的成本效益。”

高性能基体聚合物潜力超越现有市场产品。Solvay超级聚合物材料负责人Doug Brademeyer称，公司内部及与合作伙伴共同开发定制聚合物，针对不同制造工艺定制。

“我们对这些定制PAEK解决方案充满期待，基于客户需求可利用世界级资产快速商业化，”Brademeyer说。

低熔点PAEK

面对飞机OEM和供应商争夺更高生产率和更短周期，工艺性至关重要。聚醚醚酮（PEEK）长期因数据库最大、认证最广而成首选热塑性聚合物。但据Favaloro称，低熔点聚芳醚酮（LM PAEK）在自动化加工如ATL方面具优势。

“PEEK适用冲压成型和连续成型，但LM PAEK加工温度更低、工作粘度更低利于自动化加工、结晶度更低减少成型残余应力，”他说。“终极目标是用ATL机器铺带即完成——需合适结晶度、良好工艺窗口和铺设速度。”

LM PAEK工艺窗口宽达350-385℃。参考：聚苯硫醚（PPS）加工温度330-350℃，PEKK和PEEK分别为380℃和400℃。

“材料因工艺性获大量关注，”Toray Advanced Composites首席技术官Scott Unger说。Toray Advanced Composites与Victrex（英国兰开夏）合作开发Cetex TC1225，采用LM PAEK的单向预浸带。

“开发TC1225旨在创造接近PPS加工温度、具最终用户有利成本、兼具PEEK力学和耐流体性能的产品，”Unger说。“TC1225 LM PAEK我觉得实现了所有目标。”

Cetex TC1225正经国家先进材料性能中心（NCAMP，美国堪萨斯威奇托）认证。此外Toray称有两大主流机身制造商认证在进行中，另有基于飞行出租车和城市空中交通等新兴市场的认证项目。

采用LM PAEK的预浸带据报铺设速度提升。Victrex航空航天SBU总监Tim Herr称，“就地AFP和非高压釜固结AFP可达成的铺设速率前所未有。”他透露烘箱固结面板可达60米/分钟；就地固结据报可达20米/分钟。

质量方面，Unger声称低熔点PAEK能以就地铺丝获得与铺丝后经烘箱后固结层压板同等层压质量。

复合材料粘接

TPC可焊接性是其用于飞机开发的巨大优势。熔融粘接/焊接为热固性复合部件采用的机械紧固和胶粘提供替代方案。

Solvay产品开发总监Stephen Heinz说：“连接与焊接在未来装配中扮演关键角色，有潜力降低成本并提升航空结构可靠性。GKN Fokker等公司在演示焊接方面领跑。”

GKN Fokker（荷兰霍赫芬）长期开发TPC焊接，1990年代起尝试热塑性电阻焊。公司用热塑性焊接工艺连接前缘内部肋条和蒙皮。2019年JEC World展出采用Solvay APC（PEKK-FC）单向预浸带制造的面积规则热塑性复合机身面板。该件源自GKN Fokker与Gulfstream Aerospace（美国佐治亚萨凡纳）联合研发项目。据报因简单“对接”正交加强筋和全焊接机框，该面板成本最低。

“热塑性下，正交网格可通过‘对接’网格至蒙皮大幅简化，”GKN Fokker热塑性复合技术开发负责人Arnt Offringa解释。“网格现由简单平板预制件组成，与蒙皮层压板共同固结形成低成本整体加强筋壳体。机框焊接于网格。焊缝受剪切载荷，可省去所有螺栓。”

虽焊接热塑性结构用于飞机已有一段时间，但技术现似为主要结构应用做好充分准备。Mike Favaloro认为航空航天制造商和OEM对TPC信心增强，特别是工艺控制方面。“10年内我们将看到大规模采用，”他说。

阅读Ginger Gardiner文章“热塑性复合材料焊接”了解更多焊接技术。

无模具制造

另一可加速热塑性应用的创新是无模复合材料制造。顾名思义，该概念省去传统模具工装，改用机器人技术。

航空航天制造商General Atomics Aeronautical Systems Inc.（GA-ASI，美国加州圣地亚哥）正开发此类工艺制造热塑性复合结构。Composite Automation LLC（美国佛罗里达角珊瑚）使用Mikrosam（马其顿普里莱普）设备，协助GA-ASI开发自动化。工艺采用两台6轴机器人协作铺设热塑性预浸带。一台为标准单向预浸带铺设系统，提供激光加热实现热塑性材料就地固结。第二台提供支撑，在自动化铺带（ATL）对面作为可移动工装表面供ATL铺带对抗。（详见“General Atomics Aeronautical开发无模热塑性复合工艺”）

可回收性

TPC另一优势是可回收性。因热塑性聚合物可再熔重塑，多家公司视TPC为材料再利用途径。

一项回收倡议由热塑性复合应用中心（TPAC，荷兰恩斯赫德）和热塑性复合研究中心（TPRC，荷兰恩斯赫德）运营，聚焦TPC加工生产废料再利用，从收集、粉碎、再加工到应用。TPC-Cycle项目致力于为高端大批量市场开发经济环保回收路线——同时保留原热塑性材料尽可能多力学性能。项目拥有短周期、近净成形制造，可生产复杂形状。

合作涵盖价值链多个工业合作伙伴：材料、制造、设计、应用，包括GKN Fokker、Toray Advanced Composites、Cato Composite Innovations（荷兰雷登）、Dutch Thermoplastic Components（荷兰阿尔梅勒）和Nido RecyclingTechniek（荷兰奈弗达尔）。